MSP430F449在新型流量計(jì)中的應(yīng)用

1 引言
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。其勵(lì)磁方式的選擇直接影響傳感器內(nèi)部勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)情況，進(jìn)一步影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度。本人在總結(jié)現(xiàn)有勵(lì)磁方法及前人的工作的基礎(chǔ)上，提出了三值梯形波勵(lì)磁方式。這種勵(lì)磁方式采用正—零—負(fù)三極性規(guī)律的梯形波作為勵(lì)磁電壓波形。使用梯形波代替矩形波可以減小勵(lì)磁波形上升沿和下降沿造成的磁場(chǎng)突變，有效地降低了對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的微分干擾，有利于儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度的提高。
2 電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于三值梯形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要由勵(lì)磁電路、信號(hào)處理電路和單片機(jī)系統(tǒng)三部分組成。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖
2.1 勵(lì)磁電路
勵(lì)磁電路由梯形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路和勵(lì)磁信號(hào)功率放大電路兩部分組成。梯形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生部分采用16位D/A 轉(zhuǎn)換芯片DAC7731 通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC245與MSP430F449單片機(jī)的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)。DAC7731 輸出量程為-5V~+5V，內(nèi)部參考電壓10V，USART為4 線SPI主機(jī)模式。此勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路，通過(guò)MSP430單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵(lì)磁頻率，為電磁流量計(jì)選擇不同的勵(lì)磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分，采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式功率放大電路。通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)勵(lì)磁信號(hào)電壓放大，兩級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路對(duì)勵(lì)磁信號(hào)電流放大，放大后的信號(hào)輸入電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈作為勵(lì)磁電壓。此電路可線性放大梯形波斜邊部分，滿(mǎn)足了梯形波勵(lì)磁方式的要求。
2.2 信號(hào)處理電路
電磁流量計(jì)是法拉第電磁感應(yīng)定律的具體應(yīng)用。導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)微弱的交變信號(hào)，在實(shí)際測(cè)量中基本上可以測(cè)出1m/s流速對(duì)應(yīng)為0.1mv感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且此信號(hào)內(nèi)阻高，為兆歐級(jí)，同時(shí)噪聲信號(hào)多，尤其為50Hz工頻干擾，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。
根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的特點(diǎn)，信號(hào)處理電路是測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它是傳感器和單片機(jī)之間的橋梁，作用是將傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)(微伏至毫伏級(jí)的梯形波勵(lì)磁信號(hào))經(jīng)過(guò)放大、濾波、相乘等處理，轉(zhuǎn)變?yōu)锳/D采樣可接受的信號(hào)，并且通過(guò)對(duì)這個(gè)采樣信號(hào)的計(jì)算可得到流速信息，其電路單元框圖如圖2所示。
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圖2信號(hào)處理電路單元框圖
信號(hào)通道位于乘法電路之前，其作用是將弱信號(hào)放大到足夠大的電平，兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功能。它由前置放大電路、高通濾波電路、放大電路組成。放大后的信號(hào)進(jìn)入接下來(lái)的乘法器，乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835, AD835具有很高的差分輸入阻抗，不需外接阻抗變換電路。放大后的信號(hào)與線圈反饋回來(lái)的信號(hào)通過(guò)硬件乘法器相乘，輸出乘積信號(hào)。由于MSP430單片機(jī)為單極性電源供電，因此片內(nèi)A/D電壓輸入也為單極性輸入，即0~3.3V，而乘法器AD835輸出的信號(hào)為雙極性信號(hào)，因此必須經(jīng)過(guò)電平提升電路而將信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)。電平提升電路包括兩部分，第一部分完成的功能是把輸入信號(hào)加1.6V后反相輸出，第二部分把反相輸出的信號(hào)再進(jìn)行反相。這樣就使最初輸入的信號(hào)提升了1.6V，這樣就能進(jìn)入接下來(lái)的A/D進(jìn)行采樣。
2.3 單片機(jī)系統(tǒng)
本測(cè)量系統(tǒng)采用TI公司的MPS430F449單片機(jī)作為電磁流量計(jì)CPU，與晶振輸入模塊、復(fù)位電路、顯示模塊和鍵盤(pán)模塊共同構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。MSP430F449超低功耗微處理器是IT公司推出的一種新型單片機(jī)。它具有16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含12位快速A/D，60K字節(jié)FLASH ROM，2K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富，有ADC、PWM、若干TIMER、串行口、看門(mén)狗定時(shí)器等。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位電路使用的是將引腳電壓拉低到GND，然后釋放，從而引起系統(tǒng)復(fù)位的方法。系統(tǒng)的鍵盤(pán)模塊采用獨(dú)立按鍵式鍵盤(pán)。由3個(gè)獨(dú)立按鍵分別與3只上拉電阻共同和MSP430F449的P1.1、P1.2和P1.3相連，并將這三個(gè)端口設(shè)置為上升沿中斷使能的方式，利用中斷處理程序來(lái)判斷鍵盤(pán)輸入。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤(pán)菜單處理、定時(shí)器中斷、梯形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生、A/D采樣、LCD顯示等部分組成。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

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從流程圖中可以看出，系統(tǒng)軟件是通過(guò)對(duì)連續(xù)等間隔采集來(lái)的1000個(gè)點(diǎn)求平均值來(lái)達(dá)到濾波目的的，即得到直流分量。這1000個(gè)點(diǎn)采到的數(shù)據(jù)都保存在一個(gè)數(shù)組當(dāng)中，每采到一個(gè)新的點(diǎn)，就在這個(gè)數(shù)組當(dāng)中對(duì)最老的點(diǎn)進(jìn)行替換，數(shù)組中保存的都是最新的采樣點(diǎn)，而對(duì)于這些點(diǎn)的求和則采用逐點(diǎn)法求得，即除了最開(kāi)始采集的1000個(gè)數(shù)據(jù)需要做一次求和以外，后面只要把這個(gè)和減去最早的點(diǎn)的數(shù)據(jù)再加上最新的點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可得到當(dāng)前的最新的1000個(gè)數(shù)據(jù)之和(每采集一個(gè)新的點(diǎn)，就得到一個(gè)新的和)。然后對(duì)每一次求得的和作平滑處理，求這1000個(gè)點(diǎn)的平均值作為直流分量，平滑處理的目的是為了使得到的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)榕紶柕恼`差或者波動(dòng)出現(xiàn)顯示的跳變。對(duì)經(jīng)過(guò)平滑處理的和除以1000求得的平均值才認(rèn)為就是軟件濾波得到的直流分量。
4 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
試驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為50mm，采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定。低頻矩形波勵(lì)磁、三值低頻矩形波勵(lì)磁和三值梯形波勵(lì)磁方式的勵(lì)磁頻率均為6Hz，勵(lì)磁電壓最大幅值為±8V。
由于儀表的零點(diǎn)穩(wěn)定性主要反應(yīng)于小流速（一般在0.25m/s以下）的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此主要集中在此流速段進(jìn)行了試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以表明三值梯形波勵(lì)磁方式與低頻矩形波勵(lì)磁方式相比，在相同的標(biāo)定流速下的相對(duì)誤差更小，而且在接近零流速的試驗(yàn)點(diǎn)（標(biāo)定流速為0.079m/s），三值梯形波勵(lì)磁方式下的測(cè)量相對(duì)誤差為-4.8%，小于低頻矩形波勵(lì)磁方式下的-6.9%，說(shuō)明了提出的三值梯形波勵(lì)磁方式在提高零點(diǎn)穩(wěn)定性方面效果明顯。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)通過(guò)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置改變勵(lì)磁頻率、梯形波斜坡斜度和高低零值勵(lì)磁段時(shí)間比。在流速變化小，測(cè)量準(zhǔn)確度要求高的情況下選用較低的勵(lì)磁頻率，以保證更好的零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度，在流速變化大，測(cè)量實(shí)時(shí)性要求高的情況下選用較高的勵(lì)磁頻率，以保證電磁流量計(jì)的響應(yīng)速度。相比現(xiàn)有電磁流量計(jì)單一勵(lì)磁頻率難以滿(mǎn)足不同測(cè)量要求方面取得了一定的突破。因而具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了三值梯形波勵(lì)磁方式下的新型的信號(hào)處理方法。